王玉鎖， 馮高飛，*， 吳 浩， 王 濤， 李正輝， 孫春華， 劉小剛

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

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縱向通風(fēng)下不同坡形隧道火災(zāi)煙氣溫度分布特性研究

王玉鎖1， 馮高飛1，*， 吳 浩1， 王 濤1， 李正輝2， 孫春華3， 劉小剛3

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031； 3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

為了解決不同縱向坡形隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙流控制問題，以寶蘭客運(yùn)專線渭河隧道V形坡火災(zāi)通風(fēng)為例，采用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)不同坡形下煙氣溫度的分布特性進(jìn)行研究。通過對(duì)V形坡、單面坡和人字坡等不同坡形隧道在不同縱向通風(fēng)速度下的火災(zāi)工況模擬，對(duì)比分析隧道拱頂、一人高和3.0 m高處的溫度分布特征。結(jié)果表明： 在火災(zāi)發(fā)生初期，當(dāng)無縱向通風(fēng)時(shí)，在變坡點(diǎn)火源車廂附近人字坡的溫度最高，但隨著離火源點(diǎn)距離的增大，V形坡的溫度逐漸達(dá)到最大；當(dāng)有縱向通風(fēng)時(shí)，V形坡下游沿程的溫度最高，且隨風(fēng)速增大，溫度最高區(qū)域的分布范圍逐漸擴(kuò)大，而單面坡和人字坡的溫度變化曲線基本一致，并在離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)的下游區(qū)域趨于定值；在本研究范圍內(nèi)的坡形、坡度條件下，當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2 m/s 時(shí)，煙控效果最好。

客運(yùn)專線； 隧道火災(zāi)； V形坡； 煙氣溫度； 縱向通風(fēng)

0 引言

由于鐵路特長(zhǎng)隧道是一種與外界直接連通口小且相對(duì)封閉的長(zhǎng)條形地下狹小空間，一旦列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔鈱?huì)對(duì)人員的安全疏散救援和襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性造成不同程度的影響[1-2]。實(shí)際工程受地質(zhì)、地形條件的制約，隧道縱向的坡形、坡度也不盡相同，如短隧道設(shè)單坡，山嶺長(zhǎng)大隧道一般設(shè)人字坡，而下穿河底隧道則需設(shè)置V形坡。不同坡形和變坡點(diǎn)處坡差等因素增加了隧道火災(zāi)條件下煙氣控制的不確定性，因此，開展對(duì)不同坡形下隧道煙氣溫度分布的研究非常必要。近年來，對(duì)于不同縱向坡度隧道火災(zāi)煙氣溫度分布規(guī)律的研究已經(jīng)取得了很多成果，趙紅莉等[3]通過理論分析和1∶9縮尺寸模型試驗(yàn)對(duì)比研究了隧道縱向坡度對(duì)煙氣溫度分布的影響規(guī)律；周慶等[4]采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件(FDS)建立了長(zhǎng)500 m的公路隧道模型，模擬分析了不同縱向風(fēng)速和不同坡度下隧道火災(zāi)煙氣的流動(dòng)特性和分布特征；曾艷華等[5]通過火災(zāi)三維數(shù)值模擬，分析了僅火風(fēng)壓作用和不同控制風(fēng)速作用下雙向行車大縱坡公路隧道的煙流擴(kuò)散和能見度分布規(guī)律，并針對(duì)具體隧道工程給出了控制風(fēng)速的建議值；胡隆華等[6]通過在既有隧道內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)模擬火災(zāi)試驗(yàn)，對(duì)正常通風(fēng)風(fēng)速、自然風(fēng)速和火災(zāi)排煙風(fēng)速下隧道火災(zāi)煙氣溫度和煙氣層高度沿隧道的分布特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為較大的風(fēng)速將導(dǎo)致煙氣層高度迅速降到地面，對(duì)人員疏散造成威脅。上述研究對(duì)于不同風(fēng)速、不同坡度下單面坡隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度分布作了論證，但針對(duì)不同縱向坡形鐵路隧道，尤其是涉及V形坡隧道煙氣溫度分布特性的研究，目前未見有關(guān)具體報(bào)道。

本文以寶雞至蘭州客運(yùn)專線(簡(jiǎn)稱寶蘭客運(yùn)專線)渭河隧道V形坡設(shè)置情況為參照，利用數(shù)值模擬方法，對(duì)坡形為V形坡、單面坡和人字坡時(shí)，在不同縱向風(fēng)速下的火災(zāi)工況進(jìn)行了模擬，分析比較了各工況下煙氣溫度的分布特性，得出了高溫?zé)煔庠诓煌滦蜗碌臄U(kuò)散規(guī)律。

1 模型及參數(shù)確定

1.1 物理模型的建立

寶蘭客運(yùn)專線渭河特長(zhǎng)隧道全長(zhǎng)10 016 m，為單洞雙線客運(yùn)專線鐵路隧道，隧道凈寬12.2 m，凈高8.68 m，除出口為順坡外，隧道內(nèi)縱坡呈“V”字形，坡底兩側(cè)隧道正洞坡度分別為-3‰和10‰。豎井位于隧道最低點(diǎn)附近，深56.78 m，凈空尺寸為14.2 m×8 m(長(zhǎng)×寬)。

為分析不同的隧道坡形下火災(zāi)煙氣溫度的分布特征，再參照TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定的隧道縱向坡度一般不應(yīng)小于3‰，且不宜大于20‰，本文除考慮渭河隧道設(shè)計(jì)確定的坡形外，還分別選取了3‰和20‰ 2個(gè)縱向坡度，共對(duì)比設(shè)置了4種坡形情況進(jìn)行建模(見圖1)。其中，沿風(fēng)流方向上坡時(shí)坡度為正，下坡時(shí)坡度為負(fù)；變坡點(diǎn)左側(cè)為上游區(qū)域，右側(cè)為下游區(qū)域。

圖1 模型縱坡坡形示意圖(單位： m)

模型以隧道變坡點(diǎn)為原點(diǎn)，隧道縱向?yàn)閦方向(寶雞方向?yàn)檎?，豎井中心里程距離變坡點(diǎn)為90 m，通過橫通道與正洞連接，在橫通道與豎井交叉口封堵墻處設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)，并布設(shè)直徑為1.5 m的通風(fēng)管至正洞交叉口處，確保正洞交叉口防護(hù)門處風(fēng)速不小于2 m/s[8]。變坡點(diǎn)兩側(cè)隧道長(zhǎng)度分別取400 m和200 m，采用基于CFD的Fluent軟件進(jìn)行三維模擬[9]，在充分利用網(wǎng)格自適應(yīng)能力的條件下對(duì)模型網(wǎng)格化，共生成約36.7萬個(gè)單元，隧道平面示意圖如圖2所示。

圖2 隧道平面示意圖(單位： m)

按圖2所示變坡點(diǎn)右側(cè)(z= 0～-25 m)的一節(jié)車廂(3.0 m×4.5 m×25.0 m)發(fā)生火災(zāi)計(jì)算，縱向風(fēng)流方向?yàn)閷氹u方向到蘭州方向，縱向風(fēng)速分別取0、1.0、2.0、3.0、5.0 m/s 5種通風(fēng)條件，具體通過設(shè)置隧道洞口速度邊界來實(shí)現(xiàn)，共模擬了20種工況(見表1)。

表1 模擬工況

1.2 主要參數(shù)設(shè)定

根據(jù)建立的數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合防災(zāi)救援需要，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：

1)目前關(guān)于客運(yùn)專線鐵路隧道列車火災(zāi)熱釋放率的研究數(shù)據(jù)較少，EUREKA499項(xiàng)目曾對(duì)德國(guó)單節(jié)城際特快列車火災(zāi)熱釋放率進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)縱向風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，火災(zāi)熱釋放率峰值為19 MW[10]，考慮到本文模擬的縱向風(fēng)速整體偏大，而此時(shí)隧道內(nèi)列車火災(zāi)規(guī)模會(huì)增大[1]，故將列車的火災(zāi)熱釋放率設(shè)為20 MW，且為穩(wěn)定火源功率，同時(shí)認(rèn)為火災(zāi)為車廂外部火災(zāi)，不考慮高溫對(duì)列車車體的影響。

2)隧道內(nèi)火災(zāi)的燃燒過程非常復(fù)雜，考慮到本文主要研究的是火災(zāi)溫度分布，因此，運(yùn)用熱量源項(xiàng)來模擬火災(zāi)的燃燒和放熱； 同時(shí)，激活Rosseland熱輻射模型，設(shè)定空氣介質(zhì)的吸收系數(shù)為0.1，散射系數(shù)為0.01[11]。

3)考慮到橫通道要作為人員疏散通道，在火災(zāi)時(shí)應(yīng)具有防煙功能，為保證橫通道避難所內(nèi)有足夠的清潔新風(fēng)[8]，所有工況均是在有橫通道救援通風(fēng)情況下模擬的，按預(yù)設(shè)軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)推知橫通道通風(fēng)管管端風(fēng)速v=23.58 m/s(風(fēng)管直徑為1.5 m)，方向與風(fēng)管斷面垂直。

4)為充分模擬溫度場(chǎng)中氣體隨時(shí)間的流動(dòng)和分布特性，將氣體設(shè)定為非定常流動(dòng)，重力加速度取9.81 m/s2，隧道內(nèi)初始溫度設(shè)為25 ℃(298 K)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 自由蔓延時(shí)溫度的縱向分布

選取火災(zāi)發(fā)生8 min后煙流趨于穩(wěn)定時(shí)，對(duì)比在自由蔓延(縱向通風(fēng)速度為0 m/s)條件下4種坡形隧道縱向的煙氣溫度分布情況(見圖3)，圖3中橫軸方向?yàn)樗淼揽v向(圖2中的z軸方向)，著火車廂位于z=0～-25 m，細(xì)實(shí)線為變坡點(diǎn)位置(z= 0)。

圖3 不同坡形隧道縱向溫度分布圖

Fig. 3 Temperature distribution in tunnels with different slope shapes

由圖3可以看出，在自由蔓延條件下，不同坡形隧道縱向的溫度分布情況基本相似。在火災(zāi)發(fā)生后，火源點(diǎn)上方的溫度迅速升高，使得局部空氣受熱不均勻，靠近火源處的空氣密度變小，在火災(zāi)熱浮升力的作用下，煙氣開始向拱頂上升，此后沿頂部向兩側(cè)流動(dòng)蔓延。由圖3可以看出，火源車廂上方的溫度最高，但受z=27 m處橫通道送風(fēng)的影響，煙氣向火源點(diǎn)上游(圖3中著火車廂左側(cè)區(qū)域)的蔓延受到抑制，使得溫度場(chǎng)在火源車廂兩側(cè)呈不對(duì)稱分布，且下游(圖3中著火車廂右側(cè)區(qū)域)煙氣溫度明顯高于上游。

此外，受不同縱向坡形的影響，高溫?zé)煔庠谒淼揽v向的聚集范圍有所不同，以V形縱坡隧道為例，洞內(nèi)全斷面溫度超過207 ℃(約480 K)的區(qū)域長(zhǎng)度為48 m，位于z=-41～-89 m內(nèi)，且全部處于10‰的上坡區(qū)段，具體各坡形的高溫區(qū)域聚集情況如表2所示。

表2 不同坡形時(shí)高溫?zé)煔饩奂闆r

Table 2 Distribution of fire smoke with highest temperature in different slope shape tunnels

坡形上游坡度/‰下游坡度/‰聚集范圍/m高溫區(qū)長(zhǎng)度/mV形坡a-310-41～-8948單面坡b-3-3-33～-10269人字坡c3-3-35～-10166人字坡d20-20-31～-11483

由表2可知，坡度為20‰的人字坡d隧道內(nèi)全斷面溫度超過207 ℃的長(zhǎng)度為83 m，高溫?zé)煔饩奂姆秶顝V；V形坡a隧道的高溫聚集范圍最小，僅為48 m；3‰坡度的單面坡b和人字坡c的高溫區(qū)長(zhǎng)度相差不大，居于兩者之間。由高溫聚集區(qū)的坐標(biāo)范圍可以看出，受橫通道送風(fēng)的影響，全斷面溫度超過207 ℃的區(qū)域全部處于火源點(diǎn)下游段(圖3著火車廂右側(cè)區(qū)域)。

受火災(zāi)熱效應(yīng)的影響，隧道內(nèi)空氣存在一定的密度差，加之坡形隧道存在的高度差，使得煙氣始終受到沿上坡方向的熱驅(qū)動(dòng)力作用。在V形坡a隧道內(nèi)，熱煙氣產(chǎn)生于10‰的上坡區(qū)段(z<0 m)，此時(shí)，沿上坡方向的熱推力作用加快了高溫?zé)煔庀蚨赐獾呐懦?，因此，在該坡形下煙氣的聚集范圍最??；而在單面坡b和人字坡c隧道內(nèi)，熱煙氣聚集于-3‰坡度的下坡段(z<0 m)，此時(shí)，由火災(zāi)產(chǎn)生的熱驅(qū)動(dòng)力表現(xiàn)為阻力，抑制了高溫?zé)煔庀蚨赐獾牧鲃?dòng)，高溫?zé)煔饩奂秶兴龃?；?0‰坡度的人字坡d隧道中，由于下坡段縱向坡度的增大，進(jìn)一步阻礙了煙氣向下坡方向的擴(kuò)散，因此高溫區(qū)聚集范圍最廣。

由此可以看出，受熱驅(qū)動(dòng)力的影響，煙氣在上坡段擴(kuò)散較快，高溫?zé)煔獾木奂秶^小，而隨著坡度的減小(由10‰上坡段到-20‰下坡段)，煙氣的擴(kuò)散受到抑制，導(dǎo)致洞內(nèi)高溫范圍逐漸增大。

2.2 不同通風(fēng)條件下坡形對(duì)溫度分布的影響

為分析不同通風(fēng)條件下坡形對(duì)隧道內(nèi)溫度分布的影響，對(duì)隧道內(nèi)特征點(diǎn)位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置火源列車位于變坡點(diǎn)處左線位置，并對(duì)拱頂中心(距內(nèi)軌頂面8.5 m)、右線一人高(距內(nèi)軌頂面1.5 m)和右線距內(nèi)軌頂面3 m高處的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別記為監(jiān)測(cè)點(diǎn)P、Q和R，如圖4所示。

圖4 隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位： m)

2.2.1 隧道拱頂?shù)臏囟确植?/p>

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生1 min時(shí)(煙氣流動(dòng)分布特性比較明顯)，不同縱向通風(fēng)條件下各坡形隧道拱頂中心(監(jiān)測(cè)點(diǎn)P)溫度隨隧道縱向的分布如圖5所示。其中，著火車廂位于z= 0～-25 m處，虛線為變坡點(diǎn)位置。

由圖5(a)可以看出，在無縱向通風(fēng)(自由擴(kuò)散)時(shí)，隧道拱頂溫度在縱向的分布基本呈對(duì)稱狀。總體來看不同坡形中隧道縱向拱頂溫度的分布情況較為相似，但在不同位置仍有差異。在火源點(diǎn)附近(z=30～-70 m)，20‰坡度人字坡d的溫度最高； 在遠(yuǎn)離火源點(diǎn)的上游(z>30 m)和下游(z<-70m)區(qū)域，V形坡的溫度最高，人字坡d的溫度最低。這是由于在人字坡變坡點(diǎn)附近發(fā)生火災(zāi)時(shí)，兩側(cè)均為下坡側(cè)，不利于煙氣的擴(kuò)散，造成了高溫?zé)煔獾木奂?，因此在火源點(diǎn)周圍的溫度最高，而且坡度越大，煙氣聚集現(xiàn)象越明顯；但隨著離火源點(diǎn)距離的增大，V形坡a拱頂?shù)臏囟戎饾u達(dá)到最高，而大坡度人字坡的溫度趨于最低，尤其在下游區(qū)域(z<-70 m)，這是由于V形坡變坡點(diǎn)兩側(cè)的上坡段更有利于煙氣的擴(kuò)散，沿程的煙氣溫度衰減最慢。

(a) 自由擴(kuò)散

(b) 1.0 m/s縱向風(fēng)速

(c) 2.0 m/s縱向風(fēng)速

(d) 3.0 m/s縱向風(fēng)速

(e) 5.0 m/s縱向風(fēng)速

Fig. 5 Smoke temperature distribution at crown top of different slope shape tunnels under different longitudinal ventilation velocities

當(dāng)縱向通風(fēng)速度為1.0 m/s時(shí)，各坡形溫度分布曲線基本重合，說明該風(fēng)速下沿程煙氣溫度分布受坡形的影響減小。當(dāng)縱向風(fēng)速增大到2.0 m/s時(shí)，高溫?zé)煔庀蛏嫌蔚穆右呀?jīng)完全被抑制，上游的煙氣溫度分布已基本不受坡形的影響，而V形坡下游火源車廂上方的溫度達(dá)到最高。隨著風(fēng)速的繼續(xù)增大，V形坡下游火源車廂附近的溫度仍然最高，且高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大(當(dāng)縱向風(fēng)速為3.0 m/s時(shí)，溫度最高區(qū)域約為14 m； 當(dāng)縱向風(fēng)速為5.0 m/s時(shí)，溫度最高區(qū)域約為26 m)。而在單面坡和人字坡中，同一縱向風(fēng)速時(shí)溫度沿程的分布特征較為相似，且在離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)的下游區(qū)域趨于一致。

2.2.2 一人高處的溫度分布

考慮到火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員逃生的安全，作出不同縱向通風(fēng)條件下，火災(zāi)發(fā)生1 min時(shí)各坡形一人高位置處(圖4監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q)溫度隨隧道縱向的分布圖(見圖6)，其中，著火車廂位于z=0～-25 m處，虛線為變坡點(diǎn)位置。

由圖6(a)可以看出，當(dāng)自由擴(kuò)散時(shí)，煙氣在一人高處的最高溫度受坡形的影響較大，在V形坡a中的最高溫度為131 ℃，而20‰坡度的人字坡d的最高溫度達(dá)154 ℃，3‰坡度的單面坡b和人字坡c的最高溫度分別為127 ℃和140 ℃。在火源點(diǎn)附近區(qū)域，20‰坡度的人字坡溫度最高，V形坡的溫度較低；隨著離火源點(diǎn)距離的增大，V形坡的縱向溫度逐漸達(dá)到最大。這與拱頂溫度分布情況類似，由于V形坡變坡點(diǎn)兩側(cè)上坡段比人字坡變坡點(diǎn)兩側(cè)下坡段更有利于煙氣的擴(kuò)散，造成了高溫?zé)煔庠谌俗制马敳康亩逊e，而在V形坡變坡點(diǎn)兩側(cè)沿程溫度的衰減最慢。

由圖6可以看出，當(dāng)縱向通風(fēng)速度為1.0 m/s時(shí)，V形坡的最高溫度達(dá)到最大。隨著縱向通風(fēng)速度的增大，V形坡溫度最高的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，而單面坡和人字坡的溫度分布曲線基本一致。隨著縱向風(fēng)速的繼續(xù)增大，各坡形火源點(diǎn)下游的溫度降低幅度逐漸減小并趨于定值，如縱向風(fēng)速為5.0 m/s時(shí)，V形坡沿縱向的最高溫度為73 ℃，是4種坡形中的最大值，而在遠(yuǎn)離火源點(diǎn)的下游區(qū)域溫度基本穩(wěn)定在60 ℃左右，二者相差不大。這說明當(dāng)縱向風(fēng)速較大時(shí)，一人高處煙氣熱量主要隨縱向通風(fēng)排出，下游縱向坡度對(duì)溫度分布的影響被削弱。

此外，由圖6還可以看出，自由擴(kuò)散時(shí)一人高處煙氣最高溫度位于z=-20 m附近； 當(dāng)縱向風(fēng)速為1.0、3.0、5.0 m/s時(shí)，最高溫度分別位于z=-35、-45、-65 m附近。由此可知，在沒有縱向通風(fēng)時(shí)，煙氣溫度最高點(diǎn)剛好位于著火車廂范圍內(nèi)(z=0～-25 m)，而隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣溫度最高點(diǎn)向下游出現(xiàn)了偏移，這說明縱向風(fēng)速導(dǎo)致了高溫?zé)煔庥鹆鞯膬A斜，且風(fēng)速越大，煙氣傾斜越明顯。

(a) 自由擴(kuò)散

(b) 1.0 m/s縱向風(fēng)速

(c) 2.0 m/s縱向風(fēng)速

(d) 3.0 m/s縱向風(fēng)速

(e) 5.0 m/s縱向風(fēng)速

Fig. 6 Smoke temperature distribution at 1.5 m point (from inner rail top) of different slope shape tunnels under different longitudinal ventilation velocities

2.2.3 3.0 m高度處的溫度分布

考慮到隧道內(nèi)的消防需要，保證救援疏散不被阻止，應(yīng)確保隧道中煙氣盡量集中在3 m以上的斷面中流動(dòng)[12]。作出不同縱向通風(fēng)條件下，火災(zāi)發(fā)生1 min時(shí)各坡形3 m高處(圖4監(jiān)測(cè)點(diǎn)R)溫度隨隧道縱向的分布圖(見圖7)，其中，著火車廂位于z=0～-25 m處，虛線為變坡點(diǎn)位置。

由圖7(a)可以看出，當(dāng)自由擴(kuò)散時(shí)，20‰坡度人字坡d在火源點(diǎn)附近的溫度最高，而離火源點(diǎn)越遠(yuǎn)，溫度降低越快； 與之相反，V形坡溫度沿程降低最慢，并在離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)的下游區(qū)域達(dá)到最大，這與拱頂和一人高處的溫度分布相似，主要是由于人字坡兩側(cè)的下坡段不利于煙氣的擴(kuò)散，造成了高溫?zé)煔庠谌俗制缕马數(shù)亩逊e，且沿程溫度的衰減最快。當(dāng)有縱向通風(fēng)時(shí)，V形坡中最高溫度達(dá)到最大，且隨著縱向風(fēng)速的增大，最高溫度分布范圍逐漸擴(kuò)大，而在單面坡和人字坡中的溫度變化趨勢(shì)較為相似，波動(dòng)范圍相差不大，并且隨著縱向風(fēng)速的增大，下游煙氣的溫度隨著到火源點(diǎn)距離的增大而趨于定值。

綜合上述3個(gè)特征點(diǎn)位的縱向溫度分布情況容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自由擴(kuò)散時(shí)，大坡度人字坡坡頂火源點(diǎn)周圍的溫度最高，但距火源點(diǎn)越遠(yuǎn)，溫度降低越明顯；與之相反，V形坡的溫度隨到火源點(diǎn)距離的增大降幅最小。這主要是由于人字坡變坡點(diǎn)兩側(cè)的下坡段不利于煙氣的擴(kuò)散，造成了火源點(diǎn)周圍高溫?zé)煔獾木奂?，因此在火源點(diǎn)周圍溫度達(dá)到最大，而離火源點(diǎn)越遠(yuǎn)，煙氣擴(kuò)散越慢，因此沿程的溫度衰減越快；而V形坡兩側(cè)的上坡段剛好加速了火災(zāi)煙氣的流動(dòng)，因此沿程的溫度衰減最慢，使得在距離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)處的溫度趨于最大。

當(dāng)有縱向通風(fēng)時(shí)，V形坡的最高溫度達(dá)到最大，且隨縱向風(fēng)速的增大，V形坡最高溫度分布范圍逐漸擴(kuò)大，而單面坡和人字坡的溫度變化曲線較為相似，并在離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)的下游區(qū)域趨于一致。說明在單面坡和人字坡中，當(dāng)縱向風(fēng)速較大時(shí)，煙氣熱量已經(jīng)主要隨縱向通風(fēng)排出，此時(shí)火源下游隧道的縱向坡度對(duì)溫度分布的影響較小。

2.3 不同工況最高溫度分布比較

為分析不同的縱向通風(fēng)速度對(duì)隧道縱向溫度的影響，提取不同縱向風(fēng)速時(shí)各坡形隧道拱頂、一人高處和3 m高處縱向最高溫度進(jìn)行比較，如圖8所示。

(a) 自由擴(kuò)散

(b) 1.0 m/s縱向風(fēng)速

(c) 2.0 m/s縱向風(fēng)速

(d) 3.0 m/s縱向風(fēng)速

(e) 5.0 m/s縱向風(fēng)速

Fig. 7 Smoke temperature distribution at 3 m point (from inner rail top) of different slope shape tunnels under different longitudinal ventilation velocities

從圖8中可以看出，當(dāng)縱向風(fēng)速一定時(shí)，隧道拱頂?shù)臏囟茸罡撸黠@大于一人高和3 m高處的最高溫度。當(dāng)縱向通風(fēng)速度為0時(shí)，隧道拱頂?shù)臏囟茸罡?，一人高處的溫度最低? m高處的溫度居于二者之間； 當(dāng)縱向風(fēng)速由0增大到1.0 m/s時(shí)，拱頂最高溫度迅速降低，3 m高處降幅較小，一人高處卻略微上升； 當(dāng)縱向風(fēng)速大于1.0 m/s時(shí)，各特征點(diǎn)最高溫度隨縱向風(fēng)速的增大均減小，且變化趨勢(shì)基本一致，其中，縱向風(fēng)速?gòu)?.0 m/s增大到2.0 m/s過程中溫度的降幅較大，縱向風(fēng)速?gòu)?.0 m/s增大到5.0 m/s過程中溫度的降低幅度明顯減小，且呈線性降低趨勢(shì)。由此說明，當(dāng)自由擴(kuò)散時(shí)，洞內(nèi)煙氣分層現(xiàn)象比較明顯，拱頂?shù)臏囟茸罡?，靠近底板處溫度最低?當(dāng)縱向風(fēng)速較小時(shí)，煙氣原本的穩(wěn)定分層流動(dòng)狀態(tài)被打亂，拱頂高溫?zé)煔庵饾u下沉，溫度降低，而靠近隧道底部一人高處的溫度升高，縮小了洞內(nèi)的溫度差值； 而隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，下游煙氣的流動(dòng)速度加快，促進(jìn)了高溫?zé)煔庋厝珨嗝娴呐懦?，降低了隧道?nèi)的溫度。

圖8 不同坡形縱向最高溫度隨風(fēng)速的變化

Fig. 8 Variations of highest longitudinal smoke temperatures in different slope shape tunnels under different ventilation velocities

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)不同坡形隧道火災(zāi)的數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比分析了不同縱向風(fēng)速下各坡形隧道的溫度分布特征，主要得出以下結(jié)論：

1)由于隧道內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的熱驅(qū)動(dòng)力始終沿上坡方向，因此，當(dāng)煙氣產(chǎn)生于上坡段時(shí)，熱驅(qū)動(dòng)力表現(xiàn)為動(dòng)力，加快了煙氣的擴(kuò)散，高溫區(qū)域的聚集范圍減?。划?dāng)煙氣產(chǎn)生于下坡段時(shí)，熱驅(qū)動(dòng)力表現(xiàn)為阻力，抑制了高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散，高溫區(qū)域的聚集范圍增大。

2)當(dāng)沒有縱向通風(fēng)時(shí)，人字坡坡頂火源點(diǎn)周圍的溫度最高，但隨著離火源點(diǎn)距離的增大，溫度迅速降低； 與之相反，V形坡的溫度降低最慢，并在遠(yuǎn)離火源點(diǎn)處逐漸趨于最高。這主要是由于人字坡坡頂兩側(cè)的下坡段抑制了煙氣的流動(dòng)，造成了高溫?zé)煔獾木奂布涌炝搜爻虦囟鹊乃p；而V形坡兩側(cè)的上坡段促進(jìn)了煙氣流動(dòng)，使得沿程的溫度衰減最慢。

3)當(dāng)有縱向通風(fēng)時(shí)，V形坡的最高溫度達(dá)到最大，且隨風(fēng)速的增大，V形坡最高溫度的分布范圍逐漸擴(kuò)大，而單面坡和人字坡的溫度變化曲線較為相似，并在離火源點(diǎn)較遠(yuǎn)的下游區(qū)域趨于一致。說明在單面坡和人字坡中，當(dāng)縱向風(fēng)速較大時(shí)，煙氣熱量已經(jīng)主要隨縱向通風(fēng)排出，此時(shí)火源下游隧道的縱向坡度對(duì)溫度分布的影響較小。

4)在本文所研究的坡形及坡度范圍內(nèi)，特征點(diǎn)位溫度隨縱向風(fēng)速的增大也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。當(dāng)縱向風(fēng)速為0時(shí)，煙氣在斷面內(nèi)的分層現(xiàn)象比較明顯，拱頂溫度最高，一人高處溫度最低； 當(dāng)縱向風(fēng)速增大到1.0 m/s時(shí)，拱頂和3 m高的溫度降低，且拱頂溫度降低較快，而一人高處的溫度略微上升； 當(dāng)縱向風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度逐漸減小，且變化趨勢(shì)基本一致，但當(dāng)風(fēng)速大于2.0 m/s時(shí)，溫度降幅明顯減小，說明在2.0 m/s的縱向風(fēng)速下煙控效果最好。

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Study of Characteristics of Fire Smoke Temperature Distribution in Tunnels with Different Slope Shapes under Longitudinal Ventilation

WANG Yusuo1, FENG Gaofei1，*, WU Hao1, WANG Tao1, LI Zhenghui2, SUN Chunhua3, LIU Xiaogang3

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.FacultyofGeosciencesandEnvironmentEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 3.ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd.,Xi’an710043,Shaanxi,China)

The fire smoke control in tunnels with different slope shapes is difficult. The characteristics of fire smoke temperature distribution in tunnel with different slope shape are studied by 3D numerical simulation methods taking fire smoke ventilation of V-shaped slope of Weihe Tunnel on Baoji-Lanzhou passenger-dedicated railway for example. The fire cases of V-shaped slope, one-way slope and convex slope under different longitudinal ventilation velocities are simulated; and the characteristics of temperature at tunnel crown top, 1.5 m point (from inner rail top) and 3.0 m point (from inner rail top) are analyzed and compared. The results show that: 1) The temperature around summit of convex slope is the highest without longitudinal ventilation at early fire; the temperature dropping velocity of fire smoke in V-shaped slope tunnel is the smallest with the distance away from fire source increases. 2) The temperature along the lower reaches of V-shaped slope tunnel is higher than those of one-way slope tunnel and convex slope tunnel under longitudinal ventilation; the scope of maximum temperature zone of V-shaped slope tunnel increases with ventilation velocity increases; the temperature variation rules of one-way slope tunnel and convex slope tunnel are almost the same. 3) The fire smoke control effect can reach best when longitudinal ventilation velocity reaches 2 m/s in case study.

passenger-dedicated railway line; tunnel fire; V-shaped slope; smoke temperature; longitudinal ventilation

2016-03-07;

2016-04-01

王玉鎖(1974— )，男，山西懷仁人，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)從事隧道及地下工程科研及教學(xué)工作。E-mail: wangysuo@163.com。*通訊作者： 馮高飛，E-mail: soar_fgf@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.005

U 45

A

1672-741X(2016)11-1317-08